3. Определение характеристик твердости

Твердость – способность материала сопротивляться пластической или упругой деформации при внедрении в него более твердого тела (индентора).

Наибольшее применение получили методы измерения твердости, основанные на вдавливании в испытуемый металл индентора в виде шарика, алмазного конуса и алмазной пирамиды – методы Бринелля, Роквелла и Виккерса (рис. 8).

Метод Бринелля (НВ). Определение твердости производится на прессе Бринелля (твердомере типа ТШ). Сущность метода заключается в том, что шарик диаметром 10; 5; 2,5 или 1,0 мм под действием определенного усилия, приложенного перпендикулярно поверхности образца, непрерывно вдавливается в испытуемый металл (рис. 8, а). Условия испытания регламентированы ГОСТ 9012-59. Например, измерение твердости стали проводят вдавливанием шарика D = 10 мм под нагрузкой 30 кН (3000 кгс).

а б в

Рис. 8. Схема определения твердости

по Бринеллю (а), по Роквеллу (б) и по Виккерсу (в)

После снятия усилия измеряют диаметр сферического отпечатка при помощи отсчетного микроскопа, на окуляре которого имеется шкала с делениями, соответствующими сотым долям миллиметра.

Твердость по Бринеллю обозначают буквами НВ (при применении стального шарика) или HBW (при применении шарика из твердого сплава) и рассчитывают как отношение усилия Р, действующего на шарик, к площади поверхности сферического отпечатка F, кгс/мм² или МПа:

, (10)

где P – усилие, действующее на шарик, Н (кгс);

F – площадь поверхности сферического отпечатка, м² (мм²);

D и d – диаметр шарика и отпечатка, мм.

Метод Бринелля рекомендуется применять для металлов с твердостью не более НВ 450 кгс/мм² (4500 МПа), так как стальной шарик может деформироваться, что внесет погрешность в результат испытаний. Этот метод используется в основном для измерения твердости заготовок и полуфабрикатов из неупрочненного металла.

Метод Роквелла (HR). Определение твердости производится на прессе Роквелла (твердомере типа ТК) (ГОСТ 9013-59). Сущность метода заключается в том, что индентор в виде алмазного конуса – для твердых и сверхтвердых (более HRC 70) металлов (стальной закаленный шарик диаметром 1,58 мм – для мягких металлов) (рис. 8, б) − под действием определенного усилия, приложенного перпендикулярно поверхности образца, вдавливается в испытуемый металл. Твердость определяют по глубине отпечатка h. Результаты измерений, в условных единицах, определяют по показанию стрелки на шкале индикатора твердомера (рис. 9).

Ш

Рис. 9. Показания индикатора прибора ТК

арик и конус вдавливаются в металл под действием двух нагрузок – предварительной Р₀ = 10 кгс и основной Р. Общая нагрузка равна сумме двух указанных нагрузок. После предварительного нагруже-ния по индикатору малой стрелки большая стрелка твердомера выставляется на «0» шкалы индикатора и включается основная нагрузка. В момент снятия основ-ной нагрузки большая стрелка перемещается по шкале индикатора и показывает значение твердости.

При вдавливании стального шарика основная нагрузка составляет 100 кгс, отсчет твердости производится по внутренней (красной) шкале «В» индикатора, твердость обозначают НRВ. При вдавливании алмазного конуса в испытуемый образец твердость определяется по показанию стрелки по внешней (черной) шкале «С» индикатора. Для твердых металлов основная нагрузка составляет 150 кг. Это основной метод измерения твердости закаленных сталей. Обозначение твердости – НRC. Для очень твердых металлов, а также материалов деталей малой толщины основная нагрузка принимается равной 60 кг. Обозначение твердости – НRА, например: НRC 40, НRА 90 – твердость по Роквеллу по шкале «С» − 40 условных единиц; по шкале «А» – 90.

Метод определения твердости по Роквеллу позволяет испытывать мягкие и твердые металлы, при этом отпечатки от шарика или конуса очень малы, поэтому с помощью данного метода можно измерять твердость материала готовых деталей. Поверхность для испытания должна быть шлифованной. Измерения выполняются быстро (в течение 30 – 60 с), не требуется никаких вычислений, так как значение твердости снимается по шкале индикатора твердомера.

Метод Виккерса (HV). При испытании на твердость по методу Виккерса в шлифованную или полированную поверхность материала вдавливается алмазная четырехгранная пирамида с углом при вершине 136º (рис. 8, в). Для определения твердости черных металлов и сплавов применяются нагрузки от 5 до 100 кгс, а для цветных металлов и их сплавов – от 2,5 до 50 кгс. После снятия нагрузки с помощью микроскопа, находящегося при приборе, измеряют диагональ отпечатка d и рассчитывают значение твердости в кгс/мм² или в МПа как отношение нагрузки Р, Н (кгс), к площади поверхности пирамидального отпечатка М, м² (мм²):

, (11)

где d – длина диагонали отпечатка, мм.

Например, запись 500 HV означает, что твердость по Виккерсу составляет 500 кгс/мм² (5000 МПа).

Метод Виккерса позволяет измерять твердость как мягких, так и очень твердых металлов и сплавов, а также определять твердость тонких поверхностных слоев (например, после проведения химико-термической обработки, закалки токами высокой частоты и т. п.).

Для соизмерения значений твердости, определенных различными способами, применяются переводные таблицы (табл. 1).

Для оценки механических свойств материалов и приблизительного значения предела прочности можно использовать значение твердости, определенной по испытаниям способом Бринелля. Эмпирическое соотношение предела прочности и твердости, определенной по испытаниям способом Бринелля, имеет вид:

σ_в ≈ 0,33НВ_max, (12)

где σ_в – временное сопротивление;

НВ_max − максимальное значение твердости при нагрузке, с которой начинается плавное понижение твердости.

Таблица 1

Сравнение значений твердости, определенной различными способами

Диаметр отпечатка	По Бринеллю	По Роквеллу			По Виккерсу
d10	НВ, МПа	НRА	НRС	НRВ	НV
2,3	7120	86	68	−	1022
2,4	6530	84	64	−	868
2,5	6010	82	60	−	746
2,6	5550	79	56	−	649
2,7	5140	77	52	−	587
2,8	4770	76	49	−	534
2,9	4440	74	46	−	473
3,0	4150	72	44	−	435
3,1	3880	71	41	−	401
3,2	3630	70	39	−	380
3,3	3410	68	37	−	344
3,4	3210	67	35	−	320
3,5	3020	67	33	−	305
3,6	2860	66	30	−	285
3,7	2690	65	28	105	272
3,8	2550	64	26	103	255
3,9	241	63	24	100	240
4,0	2280	62	22	98	226
4,1	2170	61	20	97	217
4,2	2070	60	18	95	209
4,3	1960	58	15	93	197
4,4	1870	57	−	91	186
4,5	1790	56	−	88	177
4,6	1700	−	−	86	171
4,7	1630	−	−	84	162
4,8	1560	−	−	82	154
4,9	1490	−	−	80	149
5,0	1430	−	−	76	144
5,1	1370	−	−	75	−
5,2	1310	−	−	72	−
5,3	1260	−	−	69	−
5,4	1210	−	−	67	−
5,5	1160	−	−	65	−
5,6	1120	−	−	62	−